分布式光纤光栅传感技术在混凝土梁监测中的应用

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发布时间：2021-09-11

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分布式光纤光栅传感技术在混凝土梁监测中的应用
蒋程．洪万
(东南大学土木工程学院，江苏南京210096)
[摘要】文章首先介绍了分布式光纤光栅传感技术监测混凝土梁的原理，然后进行了实验梁的静栽实验。结果表明：通
过与理论值、传统电阻式应变片的测量值进行比较，光纤光栅传感器的测量数据具有足够的精度和良好的可靠性。
[关键词] 光纤光栅传感器；混凝土梁；分布式应变
[中图分类~]TU375．1 [文献标识码】B 【文章编号】l005—6270(2010)03—0052—03
Application of Distributed FBG Technology in Concrete Beams Strain M onitoring
JIANG Cheng HONG Wan
(College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096 China)
Abstract： In this paper，the principle of the distributed FBG technology for reinforced concrete beams moni—
toring was introduced firstly，and then an experimental reinforced beam under static load was studied．The re—
suits show that compared with the theoretical value and the measurements with traditional strain gauge FBG
technology owns enough accuracy and reliability．
Key words：FBG；concrete beam；distributed strain
0 前言
混凝土结构的健康状况直接关系着各种基础设施尤其
是生命线工程的安全，从而影响国家经济和人民生命财产
的安全。因此．对混凝土结构实施长期健康监测非常必要。
然而混凝土结构的损伤往往具有很强的离散性和局部
性，且经常会在结构使用若干年后才出现损伤，因此导致传
统测量方法在混凝土结构健康监测领域效用有限。一方面，
点式测量一般比较难捕捉到结构的局部损伤；另一方面，传
统的传感器的耐久性也备受质疑。
近年来，分布式光纤传感技术日益受到国内外学者和
工程人员的青睐[12．31，其中以光纤布拉格光栅(FBG)最为瞩
目。FBG具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，而且光
纤光栅传感器比较方便在一根光纤内串联成光纤光栅阵
列，构成分布式监测系统。与传统的点式传感器相比，具有
无法比拟的优越性。
为了考察分布式光纤光栅传感技术在混凝土结构健康
监铡中应用的效果，本文在某混凝土梁上下表面布设多个
光栅传感器，形成分布式测量系统，测量混凝土梁在加载过
程中的应变变化．并将此结果与应变片结果、理论计算值等
进行了对比与分析。
l 光纤光栅传感原理
光纤布拉格光栅(FBG)本质是一段光纤，其纤芯中具
有折射率周期性变化的结构。目前．其工作原理都是基于对
布拉格光栅中心波长的测量，通过测量由外界扰动引起
的漂移量的测量，得到压力、应力与温度等待测量。
根据耦合模式理论，A 与光纤纤芯有效折射率n 以
及光纤光栅长度周期A相关，存在下述对应关系：
A 2n A (1)
外界温度或应力作用于光纤光栅时，改变了光纤光栅
的有效折射率和周期，导致反射光的中心波长值发生漂移，
关系为：
△A (1-P￡)Ae·AR+(d ∈)AT·AB (2)
式(2)中，△A 为反射光中心波长变化量，Ae为应变变
化量，△T为温度变化量，P 为光纤有效弹光系数，0【和‘分
别为光纤的热膨胀系数和热光系数。故光纤光栅反射光中
心波长变化量与外界温度或应变变化呈线笥关系。
但单独的FBG传感器无法区分由应变和温度引起的
△ 。为了去除环境温度波动对应变测量的影响，FBG传感
器在作应变测量时，均需采取温度补偿措施。
2 实验梁的设计与传感器的布设
本次实验在东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育
部重点实验室进行，实验构件、加载及测量装置如图l和图
2所示。试验梁为C30混凝土的矩形梁，受拉主筋为4根
14Inin的HRB335螺纹钢筋，截面尺寸为2O0minx400mill，
长3．8 in，考虑支座宽度，实际净跨3．6 m。采用四点液压静
力加载方式，加载点位于梁实验跨段的三分点处(实际考虑